基于Wasp和MeteodynWT應(yīng)用評(píng)估濱海平原風(fēng)電場

摘 要：本位通過介紹Wasp和Meteodyn WT兩款CFD軟件的原理，以濱海平原風(fēng)電場為例，運(yùn)用該兩款軟件仿真風(fēng)電場風(fēng)能資源分布情況。結(jié)果表明： Wasp和Meteodyn WT軟件均能較好的仿真該風(fēng)電場風(fēng)能資源情況，從風(fēng)速、尾流效應(yīng)以及發(fā)電量單因素來看，兩款軟件仿真出的結(jié)果趨勢基本一致，但各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)果具有一定的差異性。兩款軟件各有優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性，合理評(píng)估風(fēng)能資源，直接影響風(fēng)電場長久的經(jīng)濟(jì)效益。因此在具體風(fēng)能資源評(píng)估過程中，需要合理選擇適用于本風(fēng)電場的CFD軟件。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能資源 Wasp MeteodynWT

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類正以前所未有的速度消耗著地球上極為有限的化石能源資源。然而，有限的非再生能源儲(chǔ)量，以及其所帶來的環(huán)境方面問題，直接影響到世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和人類的生存環(huán)境。風(fēng)能資源作為可再生能源中最清潔、最具有商業(yè)發(fā)展及最可能規(guī)模化開發(fā)利用能源之一。在我國，乃至全球調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展里程中發(fā)揮著重要作用。

風(fēng)能資源受地形因素、地理環(huán)境以及時(shí)間空間的影響，具有不確定性和變化性。開發(fā)利用風(fēng)電場，需要準(zhǔn)確評(píng)估該風(fēng)電場風(fēng)能資源、結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特性，預(yù)測風(fēng)電場發(fā)電量。因?yàn)轱L(fēng)能資源直接影響發(fā)電量，從而影響風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展。因此準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)電場風(fēng)能資源直觀重要[1]。本文分別采用丹麥Risoe國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)用于風(fēng)電場資源分析軟件Wasp和法國Meteodyn WT 新興CFD軟件評(píng)估一灘涂風(fēng)電場風(fēng)能資源，分析其共同性及差異性。

1 CFD軟件簡介

風(fēng)圖譜分析軟件Wasp是由丹麥 RisΦ國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出來的風(fēng)資源分析處理軟件[2]，目前在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用風(fēng)資源評(píng)估軟件，主要應(yīng)用于風(fēng)電場風(fēng)能資源評(píng)估。Wasp軟件采用線性數(shù)學(xué)模型，仿真風(fēng)電場各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能資源情況。Wasp軟件應(yīng)用具有一定的局限性，隨著地形復(fù)雜而造成仿真結(jié)果不確定性。因此Wasp軟件常應(yīng)用于地形平坦、地表簡單的區(qū)域風(fēng)電場模擬。

法國 Meteodyn 公司開發(fā)MeteodynWT新興CFD軟件[3]，能夠很好模擬流體狀態(tài)。該款軟件基于計(jì)算流體力學(xué)方法，仿真不同地形下風(fēng)流運(yùn)動(dòng)情況，能夠較好的減少因地形變化而造成評(píng)估結(jié)果的不確定性。

兩款軟件輸入邊界條件一致，通過輸入風(fēng)電場地形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地表粗糙度等風(fēng)電場信息。不同點(diǎn)為Meteodyn WT需要定義測風(fēng)點(diǎn)、興趣繪圖區(qū)域，加密興趣區(qū)域網(wǎng)格，結(jié)合區(qū)域氣象數(shù)據(jù)定向模型，仿真風(fēng)電場風(fēng)資源分布。Wasp軟件操作簡單，只需劃分網(wǎng)格即可計(jì)算。因此兩款軟件既有相同點(diǎn)，也有差異性，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)和適

用性。

2 案例分析

2.1 場址及測風(fēng)介紹

D風(fēng)電場地處濱海平原，地勢遼闊平坦，灘地廣布。位于我國 “沿?！憋L(fēng)帶上，是我國風(fēng)能資源豐富的地區(qū)之一，適合風(fēng)能資源開發(fā)利用。D風(fēng)電場場址面積約11km2左右，地勢遼闊平坦，海拔高程在2.5m～4m之間。

風(fēng)電場分二期開發(fā)，其中一期已場投產(chǎn)運(yùn)行。一期風(fēng)電場場址內(nèi)測風(fēng)塔由于年久失修，并且受一期風(fēng)機(jī)影響，測風(fēng)數(shù)據(jù)失真，不采用該測風(fēng)塔。本次評(píng)估二期風(fēng)電場風(fēng)能資源采用二期風(fēng)電場場內(nèi)測風(fēng)塔，測風(fēng)塔信息見下表

為保證風(fēng)能資源分析的可靠性和合理性，按照《風(fēng)電場風(fēng)能資源評(píng)估方法》（GB/T 18710-2002）的要求，對(duì)測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性驗(yàn)證。通過驗(yàn)證，整編成一套具有代表性且為期一年的測風(fēng)數(shù)據(jù)[4]，作為模型氣象數(shù)據(jù)邊界。

2.2 模型建立及結(jié)果分析

（1）模型建立

根據(jù)地形資料、利用Google Earth繪制風(fēng)電場粗糙度[5]、測風(fēng)塔實(shí)測氣象數(shù)據(jù)。分別在Wasp和WT軟件中構(gòu)建D風(fēng)電場發(fā)電量仿真模型。Wasp軟件具有建模簡單、方便等優(yōu)勢；WT軟件需要繪制研究興趣范圍，采用分塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且根據(jù)興趣區(qū)域進(jìn)行笛卡爾網(wǎng)格加密[6]，隨著網(wǎng)格加密點(diǎn)的數(shù)量增加，模型定向時(shí)間而增長。

（2） 結(jié)果與分析

分析Wasp和WT軟件仿真一期風(fēng)電場發(fā)電量情況，從風(fēng)速、尾流效應(yīng)及發(fā)電量單因素探析兩款軟件仿真結(jié)果。

①與一期風(fēng)電場發(fā)電量比較

根據(jù)一期運(yùn)行數(shù)據(jù)，一期風(fēng)電場2014～2017年多年平均發(fā)電量為10700.56萬Kwh，根據(jù)CFD軟件模擬，WT和Wasp模擬一期發(fā)電量與實(shí)際誤差為1.44%及0.82%，誤差較小，表明用WT或者Wasp均能較好的模擬本風(fēng)電場，以及測風(fēng)塔具有一定的代表性。

②不同高度年平均風(fēng)速比較

采用測風(fēng)塔80m高度推求其他高度風(fēng)速，與測風(fēng)塔實(shí)測風(fēng)速比較，分析軟件計(jì)算結(jié)果的誤差情況。根據(jù)下表可知，WT隨著高度減小，誤差增大；Wasp模擬出的各高度風(fēng)速普遍比實(shí)測值大。

③風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)速推求合理性分析

由圖可知兩款軟件模擬二期風(fēng)電場各機(jī)位點(diǎn)的風(fēng)速情況，實(shí)測80m風(fēng)速為6.72m/s，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂高度為80m，WT軟件模擬出各機(jī)位點(diǎn)風(fēng)速為6.63 m/s～6.72 m/s，而Wasp軟件模擬出各機(jī)位點(diǎn)風(fēng)速為6.75 m/s～6.85 m/s，可以看出WT軟件模擬出的風(fēng)速比實(shí)測風(fēng)速小且接近，Wasp軟件模擬出的風(fēng)速偏大。

④尾流效應(yīng)模擬情況分析

由圖可知，兩個(gè)軟件模擬出各風(fēng)機(jī)尾流趨勢基本一致，但Wasp模擬出各風(fēng)機(jī)尾流大于WT的結(jié)果。這是因?yàn)閮煽钴浖捎貌煌擦髂Ｐ吞幚矸绞剑琖T軟件采用Park模型[7]，而Wasp采用線性模型。Park模型能夠根據(jù)地形參數(shù)、風(fēng)機(jī)功率曲線仿真各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流影響。

⑤發(fā)電量模擬結(jié)果比較

由圖表可知，兩款軟件模擬二期風(fēng)電場發(fā)電量結(jié)果趨勢基本一致，但Wasp軟件模擬二期風(fēng)電場發(fā)電量略高于WT軟件，折算年等效利用小時(shí)數(shù)為一致。

3 結(jié)論

本文通過介紹Wasp和WT軟件的原理，結(jié)合案例分析兩款軟件在濱海平原地區(qū)風(fēng)電場的應(yīng)用。濱海平原地區(qū)地形簡單，地勢平坦，具有較好的風(fēng)資源等優(yōu)勢。輸入相同的氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和地表粗糙度作為模型邊界，首先通過模擬一期風(fēng)電場發(fā)電量情況，與實(shí)際發(fā)電量比較，結(jié)果表明兩款軟件能都較好的仿真一期風(fēng)電場發(fā)電量，誤差較小，表明應(yīng)用兩款軟件應(yīng)用于評(píng)估該風(fēng)電場風(fēng)能資源具有較好的作用。其次通過分析測風(fēng)塔不同高度風(fēng)速推求情況、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)速分布情況、尾流效應(yīng)情況可知，兩款軟件模擬出的結(jié)果趨勢基本一致，但風(fēng)速而言，Wasp軟件仿真出的風(fēng)速分布高于WT軟件。對(duì)于尾流效應(yīng)，WT采用Park模型仿真風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流，考慮地形波動(dòng)造成的影響，計(jì)算結(jié)果小于Wasp仿真的尾流效應(yīng)。最后表明，兩款軟件模擬風(fēng)電場發(fā)電量結(jié)果趨勢基本一致，但Wasp軟件模擬二期風(fēng)電場發(fā)電量略高于WT軟件。

兩款軟件各有優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性，合理評(píng)估風(fēng)能資源，直接影響風(fēng)電場長久的經(jīng)濟(jì)效益。因此在具體風(fēng)能資源評(píng)估過程中，需要合理選擇適用于本風(fēng)電場的CFD軟件。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：許強(qiáng)；性別：男；出生年月：1991年08月；籍貫：江西省景德鎮(zhèn)市；民族：漢；學(xué)歷學(xué)位：碩士；畢業(yè)學(xué)校：河海大學(xué)；專業(yè)：水利工程；職稱：助理工程師；從事工作：現(xiàn)從事水利、新能源規(guī)劃設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)工作；聯(lián)系方式：18321283501；郵箱：xu_qiang@sidri.com。